Chapitre 2 Comment ça marche ?

L'informatique au lycée
Chapitre 2
http://ow.ly/3hY4u
Chapitre 2
Comment ça marche ?
2.1. Fonctionnement général d'un ordinateur
Le mot ordinateur fut introduit par IBM France en 1955. François Girard, alors responsable du
service publicité de l'entreprise, eut l'idée de consulter son ancien professeur de lettres à Paris,
Jacques Perret, afin de lui demander de proposer un mot caractérisant le mieux possible ce que l'on
appelait vulgairement un calculateur (traduction littérale du mot anglais « computer »). Ce dernier
proposa « ordinateur », un mot tombé en désuétude désignant anciennement celui qui confère un
ordre ecclésiastique (ordinant). Le professeur suggéra plus précisément « ordinatrice électronique »,
le féminin ayant pu le différencier de l'usage religieux du mot.
Parmi toutes les machines inventées par l'homme, l'ordinateur est celle qui se rapproche le plus
du concept anthropologique suivant :
Organe d'entrée / Organe de traitement de l'information / Organe de sortie
Chez l'homme les organes d'entrée sont les cinq sens, l'organe de traitement est le cerveau et les
organes de sortie sont... les muscles.
Pour les ordinateurs modernes, les organes d'entrée sont le clavier et la souris ; les organes de
sortie sont l'écran, l'imprimante, le graveur de DVD, etc.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Didier Müller
Écran
Carte mère
CPU (Microprocesseur)
Mémoire vive (RAM)
Cartes de périphériques
Alimentation
Lecteur de disques (DVD)
Disque dur
Souris
Clavier
2-1
juillet 2013
Comment ça marche ?
Architecture de von Neumann
Les techniques utilisées pour fabriquer ces machines ont énormément changé depuis les années
1940 et sont devenues une technologie (c'est-à-dire un ensemble industriel organisé autour de
techniques) à part entière depuis les années 1970. Beaucoup utilisent encore les concepts définis par
John von Neumann, bien que cette architecture soit en régression : les programmes ne se modifient
plus guère eux-mêmes (ce qui serait considéré comme une mauvaise pratique de programmation), et
le matériel prend en compte cette nouvelle donne en séparant aujourd'hui nettement le stockage des
instructions et des données, y compris dans les caches.
L'architecture de von Neumann décomposait l'ordinateur en quatre parties distinctes :
1. L'unité arithmétique et logique (UAL) ou unité de traitement : son rôle est d'effectuer les
opérations de base, un peu comme le ferait une calculette.
2. L'unité de contrôle (UC). C'est l'équivalent des doigts qui actionneraient la calculette.
3. La mémoire qui contient à la fois les données et le programme qui dira à l'unité de contrôle
quels calculs faire sur ces données. La mémoire se divise entre mémoire vive (programmes
et données en cours de fonctionnement) et mémoire permanente (programmes et données de
base de la machine).
4. Les entrées-sorties : dispositifs qui permettent de communiquer avec le monde extérieur.
Unité arithmétique et logique
L'unité arithmétique et logique, ou UAL, est l'élément qui réalise les opérations élémentaires
(additions, soustractions, etc.), les opérateurs logiques (ET, OU, NI, etc.) et les opérations de
comparaison (par exemple la comparaison d'égalité entre deux zones de mémoire). C'est l'UAL qui
effectue les calculs de l'ordinateur.
Unité de contrôle
L'unité de contrôle, ou UC, prend ses instructions dans la mémoire. Celles-ci lui indiquent ce
qu'elle doit ordonner à l'UAL et, comment elle devra éventuellement agir selon les résultats que
celle-ci lui fournira. Une fois l'opération terminée, l'unité de contrôle passe soit à l'instruction
suivante, soit à une autre instruction à laquelle le programme lui ordonne de se brancher.
L'unité de contrôle facilite la communication entre l'unité arithmétique et logique, la mémoire ainsi
que les périphériques. Il gère la plupart de l'exécution des instructions dans l'ordinateur.
Mémoire
Au sein du système, la mémoire peut être décrite comme une suite de cellules numérotées
contenant chacune une petite quantité d'informations. Cette information peut servir à indiquer à
l'ordinateur ce qu'il doit faire (instructions) ou contenir des données à traiter. Dans la plupart des
architectures, c'est la même mémoire qui est utilisée pour les deux fonctions. Cette mémoire peut
être réécrite autant de fois que nécessaire.
Entrées-Sorties
Les dispositifs d'entrée/sortie permettent à l'ordinateur de communiquer avec l'extérieur (clavier,
écran, imprimantes, etc.).
Le point commun entre tous les périphériques d'entrée est qu'ils convertissent l'information qu'ils
récupèrent de l'extérieur en données compréhensibles par l'ordinateur. À l'inverse, les périphériques
de sortie décodent l'information fournie par l'ordinateur afin de la rendre compréhensible par
l'utilisateur (voir chapitre 3).
Bus
Ces différentes parties sont reliées par trois bus, le bus d'adresse, le bus de données et le bus de
commande. Un bus est un groupement d'un certain nombre de fils électriques réalisant une liaison
pour transporter des informations binaires codées sur plusieurs bits.
Le bus d'adresse transporte les adresses générées par l'UCT (Unité Centrale de Traitement) pour
sélectionner une case mémoire ou un registre interne de l'un des blocs. Le nombre de bits véhiculés
par ce bus dépend de la quantité de mémoire qui doit être adressée.
Le bus de données transporte les données échangées entre les différents éléments du système.
Didier Müller
2-2
juillet 2013
L'informatique au lycée
Chapitre 2
Le bus de contrôle transporte les différents signaux de synchronisation nécessaires au
fonctionnement du système : signal de lecture (RD), signal d'écriture (WR), signal de sélection (CS :
Chip Select).
2.2. À l'intérieur d'un ordinateur
La carte mère : C'est la pièce de base de l'ordinateur, elle est le support de tous les composants
informatiques. Elle est associée au « cerveau » de l'ordinateur : le processeur. Tous les composants et
périphériques se branchent directement sur elle.
L'alimentation : Reliée au secteur, elle fournit à l'ordinateur et ses composants une tension
transformée, et adaptée à chaque composant. L'alimentation est toujours accompagnée d'un
ventilateur sans lequel une surchauffe viendrait endommager irrémédiablement l'ordinateur.
Les lecteurs / graveurs : Le ou les lecteurs permettent de lire un CD-ROM ou un DVD-ROM. Un
graveur permet d'écrire des données sur un CD ou DVD. Un graveur est forcément lecteur, mais le
contraire n'est pas vrai !
Le disque dur : C'est la « mémoire » de l'ordinateur, sur laquelle on enregistre les données. Un
ordinateur peut contenir plusieurs disques dur, et chaque disque dur peut être séparé en plusieurs
parties distinctes, appelées partitions.
La carte son : Pas toujours présente sur l'ordinateur, car déjà intégrée à la carte mère, elle permet
de brancher des haut-parleurs et un micro. L'acquisition d'une carte son en plus de la carte déjà
intégrée améliore le son et permet d'augmenter le nombre d'enceintes (2 seulement avec la carte
mère, 7 et + avec une carte son). Elle se branche sur la carte mère sur un port appelé PCI.
La carte graphique : Celle-ci permet l'affichage sur l'écran. Il est préférable d'avoir une carte
graphique performante lorsque l'on veut utiliser son ordinateur pour des jeux vidéos, ou du
multimédia en tout genre. Une carte graphique de base et à moindre coût suffit largement pour une
utilisation simple de l'ordinateur.
2.2.1. La carte mère
La carte mère (motherboard en anglais) est un circuit imprimé servant à interconnecter toutes les
composantes d'un micro-ordinateur. Comme elle permet aux différentes parties d'un micro-ordinateur
de communiquer entre elles, la carte mère est, d'une certaine façon, le système nerveux du microordinateur.
Didier Müller
2-3
juillet 2013
Comment ça marche ?
Les oreilles des
éléphants jouent
aussi le rôle de
dissipateur
thermique.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Didier Müller
Ce gros carré blanc est le socket, c'est-à-dire l'emplacement destiné à accueillir le
processeur. Dans la mesure où le processeur émet de la chaleur, il est nécessaire de la
dissiper pour éviter que ses circuits ne fondent. C'est la raison pour laquelle il est
généralement surmonté d'un dissipateur thermique (appelé parfois refroidisseur ou
radiateur), composé d'un métal ayant une bonne conduction thermique (cuivre ou
aluminium), chargé d'augmenter la surface d'échange thermique du microprocesseur. Le
dissipateur thermique comporte une base en contact avec le processeur et des ailettes afin
d'augmenter la surface d'échange thermique. Un ventilateur accompagne généralement le
dissipateur pour améliorer la circulation de l'air autour du dissipateur et améliorer l'échange
de chaleur.
Emplacements (slots) destinés à accueillir les barrettes de RAM (Random Access Memory).
Ces grandes barres blanches sont destinées à accueillir divers types de cartes (carte son,
modem 56k, carte PCI/Firewire, etc…) : ce sont des ports PCI (Peripheral Component
Interconnect)
Port AGP (Accelerated Graphic Port).
Cette petite puce contient ce qu'on appelle le BIOS (Basic Input/Output System) ; le BIOS
est un petit programme qui permet de vérifier que tous les composants nécessaires au
démarrage de l'ordinateur sont bien présents ; un ordinateur ne peut démarrer sans BIOS :
en effet, c'est le premier programme qui s'exécute lorsqu'on allume le PC.
Cette pile plate sert à alimenter le BIOS ; c'est grâce à elle que l'ordinateur retient l'heure
même lorsqu'on l'éteint.
Mais à quoi servent ces 4 rectangles ? Celui en haut à droite sert à brancher l'alimentation
de la carte mère ; les deux à gauche sont les ports IDE (primaire et secondaire) : ils
permettent de connecter des disques durs et des périphériques ATAPI (Advanced
Technology Attachment Packet Interface) c'est-à-dire les lecteurs/graveurs de CD/DVD ; le
dernier sert à connecter le lecteur disquette.
On retrouve sur le côté de la carte mère les ports externes du PC (voir § 2.2.2 ci-après).
2-4
juillet 2013
L'informatique au lycée
Chapitre 2
2.2.2. Branchements
Les branchements USB permettent de connecter des périphériques tels que des clés USB, des
lecteurs MP3, ainsi que la souris et le clavier.
Exercice 2.1
Identifiez les différents éléments de cette carte mère.
2.3. Les mémoires
On appelle mémoire tout composant électronique capable de stocker
temporairement des données. On distingue ainsi deux grandes catégories
de mémoires :
• La mémoire centrale (appelée également mémoire interne)
Didier Müller
2-5
juillet 2013
Comment ça marche ?
•
permettant de mémoriser temporairement les données lors de l'exécution des programmes.
La mémoire centrale est réalisée à l'aide de micro-conducteurs, c'est-à-dire des circuits
électroniques spécialisés rapides. La mémoire centrale correspond à ce que l'on appelle la
mémoire vive.
La mémoire de masse (appelée également « mémoire physique » ou « mémoire externe »)
permettant de stocker des informations à long terme, y compris lors de l'arrêt de
l'ordinateur. La mémoire de masse correspond aux dispositifs de stockage magnétiques, tels
que le disque dur, aux dispositifs de stockage optique, correspondant par exemple aux CDROM ou aux DVD-ROM, ainsi qu'aux mémoires mortes.
Caractéristiques techniques
Les principales caractéristiques d'une mémoire sont les suivantes :
• la capacité, représentant le volume global d'informations (en bits) que la mémoire peut
stocker ;
• le temps d'accès, correspondant à l'intervalle de temps entre la demande de lecture/écriture
et la disponibilité de la donnée ;
• le temps de cycle, représentant l'intervalle de temps minimum entre deux accès successifs ;
• le débit, définissant le volume d'information échangé par unité de temps, exprimé en bits
par seconde ;
• la non-volatilité caractérisant l'aptitude d'une mémoire à conserver les données lorsqu'elle
n'est plus alimentée électriquement.
Ainsi, la mémoire idéale possède une grande capacité avec des temps d'accès et temps de cycle
très restreints, un débit élevé et est non volatile.
Néanmoins les mémoires rapides sont également les plus onéreuses. C'est la raison pour laquelle
des mémoires utilisant différentes technologiques sont utilisées dans un ordinateur.
Les mémoires les plus rapides sont situées en faible quantité à proximité du processeur et les
mémoires de masse, moins rapides, servent à stocker les informations de manière permanente.
Mémoire vive
La mémoire vive, généralement appelée RAM (Random Access Memory, mémoire à accès
direct), est la mémoire principale du système : il s'agit d'un espace permettant de stocker de manière
temporaire des données lors de l'exécution d'un programme.
En effet, contrairement au stockage de données sur une mémoire de masse telle que le disque dur,
la mémoire vive est volatile, c'est-à-dire qu'elle permet uniquement de stocker des données tant
qu'elle est alimentée électriquement. Ainsi, à chaque fois que l'ordinateur est éteint, toutes les
données présentes en mémoire sont irrémédiablement effacées.
Mémoire morte
La mémoire morte, appelée ROM (Read Only Memory, mémoire en lecture seule) est un type de
mémoire permettant de conserver les informations qui y sont contenues même lorsque la mémoire
n'est plus alimentée électriquement. À la base, ce type de mémoire ne peut être accédée qu'en
lecture. Toutefois il est désormais possible d'enregistrer des informations dans certaines mémoires de
type ROM.
Mémoire flash
La mémoire flash est un compromis entre les mémoires de type RAM et les mémoires mortes. En
effet, la mémoire Flash possède la non-volatilité des mémoires mortes tout en pouvant facilement
Didier Müller
2-6
juillet 2013
L'informatique au lycée
Chapitre 2
être accessible en lecture ou en écriture. En contrepartie, les temps d'accès des mémoires flash sont
plus importants que ceux de la mémoire vive.
Mémoire cache
La mémoire cache accélère le fonctionnement de l'ordinateur en stockant les données utilisées le
plus récemment. C'est la mémoire la plus rapide de tout l'ordinateur. Elle peut se trouver à l'intérieur
du processeur (mémoire cache interne) ou à l'extérieur (mémoire cache externe).
2.4. Le BIOS
Le BIOS (Basic Input/Output System) est le programme
basique servant d'interface entre le système d'exploitation et
la carte mère. Le BIOS est stocké dans une ROM, ainsi il
utilise les données contenues dans le CMOS1 pour connaître
la configuration matérielle du système.
Lorsque le système est mis sous-tension ou réamorcé
(Reset), le CPU est lui aussi réamorcé et le BIOS va effectuer un certain nombre d'opérations :
• faire le test du CPU,
• vérifier le BIOS,
• initialiser le timer (l'horloge interne),
• vérifier la mémoire vive et la mémoire cache,
• vérifier toutes les configurations (clavier, disquettes, disques durs ...),
• etc.
La plupart des BIOS ont un « setup » (programme de configuration) qui permet de modifier la
configuration basique du système. Ce type d'information est stockée dans une RAM auto-alimentée
afin que l'information soit conservée même lorsque le système est hors tension (nous avons vu que la
mémoire vive était réinitialisée à chaque redémarrage).
Il est possible de configurer le BIOS grâce à une interface (nommée BIOS setup, configuration du
BIOS) accessible au démarrage de l'ordinateur par simple pression d'une touche bien définie.
Attention !
Ne faites des
modifications dans
le Setup qu'en
connaissance de
cause...
1
CMOS : Complementary Metal Oxide Semi-conductor (en fait c'est normalement « C-MOSFET »). Type de composant électronique à faible
consommation électrique. Par extension, petite mémoire contenant et sauvegardant (grâce à une petite pile ou une batterie) les informations de
base nécessaires au fonctionnement de l'ordinateur et de son BIOS, comme, par exemple, la date et l'heure, les caractéristiques du disque dur, etc.
Didier Müller
2-7
juillet 2013
Comment ça marche ?
2.5. Le système d'exploitation
Pour qu'un ordinateur soit capable de faire fonctionner un programme
informatique (appelé parfois application ou logiciel), la machine doit être
en mesure d'effectuer un certain nombre d'opérations préparatoires afin
d'assurer les échanges entre le processeur, la mémoire, et les ressources
physiques (périphériques).
Le système d'exploitation (noté SE ou OS, abréviation du terme
anglais Operating System), est chargé d'assurer la liaison entre les
ressources matérielles, l'utilisateur et les applications (traitement de texte,
jeu vidéo, ...). Ainsi, lorsqu'un programme désire accéder à une ressource
matérielle, il ne lui est pas nécessaire d'envoyer des informations
spécifiques au périphérique, il lui suffit d'envoyer les informations au
système d'exploitation, qui se charge de les transmettre au périphérique
concerné via son pilote. En l'absence de pilotes, il faudrait que chaque
programme reconnaisse et prenne en compte la communication avec chaque type de périphérique !
Le système d'exploitation permet ainsi de « dissocier » les programmes et le matériel, afin
notamment de simplifier la gestion des ressources et offrir à l'utilisateur une interface hommemachine simplifiée afin de lui permettre de s'affranchir de la complexité de la machine physique.
Rôles du système d'exploitation
Connaissez-vous
ces logos de
systèmes
d'exploitation ?
Les rôles du système d'exploitation sont divers :
• Gestion du processeur : le système d'exploitation est chargé de gérer l'allocation du
processeur entre les différents programmes grâce à un algorithme d'ordonnancement. Le
type d'ordonnanceur est totalement dépendant du système d'exploitation, en fonction de
l'objectif visé.
• Gestion de la mémoire vive : le système d'exploitation est chargé de gérer l'espace mémoire
alloué à chaque application et, le cas échéant, à chaque usager. En cas d'insuffisance de
mémoire physique, le système d'exploitation peut créer une zone mémoire sur le disque dur,
appelée « mémoire virtuelle ». La mémoire virtuelle permet de faire fonctionner des
applications nécessitant plus de mémoire qu'il n'y a de mémoire vive disponible sur le
système. En contrepartie cette mémoire est beaucoup plus lente.
• Gestion des entrées/sorties : le système d'exploitation permet d'unifier et de contrôler l'accès
des programmes aux ressources matérielles par l'intermédiaire des pilotes (appelés
également gestionnaires de périphériques ou gestionnaires d'entrée/sortie).
• Gestion de l'exécution des applications : le système d'exploitation est chargé de la bonne
exécution des applications en leur affectant les ressources nécessaires à leur bon
fonctionnement. Il permet à ce titre de «tuer» une application ne répondant plus
correctement.
• Gestion des droits : le système d'exploitation est chargé de la sécurité liée à l'exécution des
programmes en garantissant que les ressources ne sont utilisées que par les programmes et
utilisateurs possédant les droits adéquats.
• Gestion des fichiers : le système d'exploitation gère la lecture et l'écriture dans le système
de fichiers et les droits d'accès aux fichiers par les utilisateurs et les applications.
• Gestion des informations : le système d'exploitation fournit un certain nombre d'indicateurs
permettant de diagnostiquer le bon fonctionnement de la machine.
Composantes du système d'exploitation
La version 2.4 du
noyau Linux
compte plus de 2
millions de lignes
de code !
Didier Müller
Le système d'exploitation est composé d'un ensemble de logiciels permettant de gérer les
interactions avec le matériel. Parmi cet ensemble de logiciels on distingue généralement les éléments
suivants :
• Le noyau (kernel) représentant les fonctions fondamentales du système d'exploitation telles
que la gestion de la mémoire, des processus, des fichiers, des entrées-sorties principales, et
des fonctionnalités de communication.
• L'interpréteur de commande (shell, traduisez « coquille » par opposition au noyau)
2-8
juillet 2013
L'informatique au lycée
•
Chapitre 2
permettant la communication avec le système d'exploitation par l'intermédiaire d'un langage
de commandes, afin de permettre à l'utilisateur de piloter les périphériques en ignorant tout
des caractéristiques du matériel qu'il utilise, de la gestion des adresses physiques, etc.
Le système de fichiers (file system, noté FS), permettant d'enregistrer les fichiers dans une
arborescence.
Systèmes multitâches
Un système d'exploitation est dit multitâche (en anglais multithreaded) lorsque plusieurs
« tâches » (également appelées « processus ») peuvent être exécutées simultanément.
Les applications sont composées en séquence d'instructions que l'on appelle « processus légers »
(en anglais threads). Ces threads seront tour à tour actifs, en attente, suspendus ou détruits, suivant la
priorité qui leur est associée ou bien exécutés séquentiellement.
Un système est dit préemptif lorsqu'il possède un ordonnanceur (aussi appelé planificateur), qui
répartit, selon des critères de priorité, le temps machine entre les différents processus qui en font la
demande.
Le système est dit à temps partagé lorsqu'un quota de temps est alloué à chaque processus par
l'ordonnanceur. C'est notamment le cas des systèmes multi-utilisateurs qui permettent à plusieurs
utilisateurs d'utiliser simultanément sur une même machine des applications différentes ou bien
similaires : le système est alors dit « système transactionnel ». Pour ce faire, le système alloue à
chaque utilisateur une tranche de temps.
Systèmes multi-processeurs
Le multiprocessing est une technique consistant à faire fonctionner plusieurs processeurs en
parallèle afin d'obtenir une puissance de calcul plus importante que celle obtenue avec un processeur
haut de gamme ou bien afin d'augmenter la disponibilité du système (en cas de panne d'un
processeur).
Un système multiprocesseur doit donc être capable de gérer le partage de la mémoire entre
plusieurs processeurs mais également de distribuer la charge de travail.
Systèmes embarqués
Les systèmes embarqués sont des systèmes d'exploitation prévus pour fonctionner sur des
machines de petite taille, telles que des smartphones ou des appareils électroniques autonomes
(sondes spatiales, robot, ordinateur de bord de véhicule, etc.), possédant une autonomie réduite.
Ainsi, une caractéristique essentielle des systèmes embarqués est leur gestion avancée de l'énergie et
leur capacité à fonctionner avec des ressources limitées.
Systèmes temps réel
Les systèmes temps réel (real time systems), essentiellement utilisés dans l'industrie, sont des
systèmes dont l'objectif est de fonctionner dans un environnement contraint temporellement. Un
système temps réel doit ainsi fonctionner de manière fiable selon des contraintes temporelles
spécifiques, c'est-à-dire qu'il doit être capable de délivrer un traitement correct des informations
reçues à des intervalles de temps bien définis (réguliers ou non).
2.6. Le disque dur
Le disque dur est l'organe servant à conserver les données de manière permanente, contrairement
à la mémoire vive, qui s'efface à chaque redémarrage de l'ordinateur.
Le disque dur est relié à la carte mère par l'intermédiaire d'un contrôleur de disque dur faisant
l'interface entre le processeur et le disque dur. Le contrôleur de disque dur gère les disques qui lui
sont reliés, interprète les commandes envoyées par le processeur et les achemine au disque concerné.
Avec l'apparition de la norme USB, des boîtiers externes permettant de connecter un disque dur
sur un port USB ont fait leur apparition, rendant le disque dur facile à installer et permettant de
rajouter de la capacité de stockage pour faire des sauvegardes. On parle alors de disque dur externe,
par opposition aux disques durs internes branchés directement sur la carte mère, mais il s'agit bien
des mêmes disques, si ce n'est qu'ils sont connectés à l'ordinateur par l'intermédiaire d'un boîtier
branché sur un port USB.
Didier Müller
2-9
juillet 2013
Comment ça marche ?
Structure
Un disque dur est constitué non pas d'un seul disque, mais de plusieurs disques rigides en métal,
en verre ou en céramique, empilés à une très faible distance les uns des autres et appelés plateaux (en
anglais platters).
Les disques tournent très rapidement autour d'un axe (à plusieurs milliers de tours par minute
actuellement) dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Un ordinateur fonctionne de manière
binaire, c'est-à-dire que les données sont stockées sous forme de 0 et de 1 (appelés bits). Il existe sur
les disques durs des millions de ces bits, stockés très proches les uns des autres sur une fine couche
magnétique de quelques microns d'épaisseur, elle-même recouverte d'un film protecteur.
La lecture et l'écriture se fait grâce à des têtes de lecture situées de part et d'autre de chacun des
plateaux. Ces têtes sont des électroaimants qui se baissent et se soulèvent pour pouvoir lire
l'information ou l'écrire. Les têtes ne sont qu'à quelques microns de la surface, séparées par une
couche d'air provoquée par la rotation des disques qui crée un vent d'environ 250km/h ! De plus, ces
têtes sont mobiles latéralement afin de pouvoir balayer l'ensemble de la surface du disque.
Cependant, les têtes sont liées entre elles et seulement une seule tête peut lire ou écrire à un
moment donné.
L'ensemble de cette mécanique de précision est contenu dans un boîtier totalement hermétique,
car la moindre particule peut détériorer la surface du disque. Vous pouvez donc voir sur un disque
des opercules permettant l'étanchéité, et la mention « Warranty void if removed » qui signifie
littéralement « la garantie expire si retiré » car seuls les constructeurs de disques durs peuvent les
ouvrir (dans des salles blanches, exemptes de particules).
Les têtes commencent à inscrire des données à la périphérie du disque (piste 0), puis avancent
vers le centre. Les données sont organisées en cercles concentriques appelés pistes, créées par le
formatage de bas niveau.
Didier Müller
2-10
juillet 2013
L'informatique au lycée
Chapitre 2
Les pistes sont séparées en quartiers (entre deux rayons) que l'on appelle secteurs, contenant les
données (au minimum 512 octets par secteur en général).
On appelle cylindre l'ensemble des données situées sur une même piste sur des plateaux
différents (c'est-à-dire à la verticale les unes des autres).
On appelle enfin cluster (ou en français « unité d'allocation ») la zone minimale que peut occuper
un fichier sur le disque. En effet le système d'exploitation gère des blocs qui sont en fait plusieurs
secteurs (entre 1 et 16 secteurs).
Caractéristiques techniques
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Capacité : volume de données pouvant être stockées sur le disque.
Taux de transfert (ou débit) : quantité de données pouvant être lues ou écrites sur le disque
par unité de temps. Il s'exprime en bits par seconde.
Vitesse de rotation : vitesse à laquelle les plateaux tournent, exprimée en tours par minutes
(notés rpm pour « rotations par minute »). La vitesse des disques durs est de l'ordre de 7200
à 15000 rpm. Plus la vitesse de rotation d'un disque est élevée meilleur est le débit du
disque. En revanche, un disque possédant une vitesse de rotation élevé est généralement
plus bruyant et chauffe plus facilement.
Temps de latence : temps écoulé entre le moment où le disque trouve la piste et le moment
où il trouve les données.
Temps d'accès moyen : temps moyen que met la tête pour se positionner sur la bonne piste
et accéder à la donnée. Il représente donc le temps moyen que met le disque entre le
moment où il a reçu l'ordre de fournir des données et le moment où il les fournit réellement.
Il doit ainsi être le plus court possible.
Densité radiale : nombre de pistes par pouce (tpi: Track per Inch).
Densité linéaire : nombre de bits par pouce sur une piste donnée (bpi: Bit per Inch).
Densité surfacique : rapport de la densité linéaire sur la densité radiale.
Mémoire cache (ou mémoire tampon) : quantité de mémoire embarquée sur le disque dur.
La mémoire cache permet de conserver les données auxquelles le disque accède le plus
souvent afin d'améliorer les performances globales.
Interface : il s'agit de la connectique du disque dur.
Fragmentation
Lorsque l'on enregistre un fichier sur le disque (celui-ci étant vide à la base), toutes les
informations concernant ce fichier sont écrites les unes à la suite des autres. Lorsque l'on enregistre
un deuxième fichier, celui-ci va s'enregistrer à la suite du premier et ainsi de suite.
Cependant, quand un fichier est effacé, cela génère un espace vide sur le disque. Les fichiers
suivants vont combler les « trous », et vont donc être éparpillés en portions de fichiers sur le disque.
Cela est d'autant plus vrai que le disque dur a une grosse capacité et possède une grande quantité de
fichiers.
Le schéma ci-dessus montre un fichier C enregistré sur le disque dur alors que les blocs
bleus et jaunes étaient occupés. Le fichier C remplit les espaces libres. Il se divise en
Didier Müller
2-11
juillet 2013
Comment ça marche ?
deux pour y parvenir. Le bloc noir reste libre.
Ainsi, lorsque le système accède à un fichier, la tête du disque va devoir parcourir l'ensemble des
endroits où les morceaux du fichier sont enregistrés pour pouvoir lire celui-ci. Cela se traduit donc
par une baisse de performances...
La copie, le déplacement et la suppression des fichiers est inévitable, car le système écrit
constamment des fichiers temporaires. Il est donc indispensable de recourir à un outil de
défragmentation, c'est-à-dire un logiciel capable de réorganiser les fichiers sur le disque dur de telle
façon que les parcelles de fichiers soient stockées de manière contiguë afin de former des fichiers
plus compacts.
Il est ainsi recommandé d'utiliser régulièrement (une fois par mois environ) un utilitaire de
défragmentation, qui va réorganiser les données stockées sur le disque.
Remarque
Quand vous supprimez un fichier, vous n'effacez en fait que sa référence dans la table du contenu
de votre disque. Les données ne sont pas perdues mais la place utilisée par votre fichier est à
nouveau disponible et peut être immédiatement réutilisée. C'est pour cette raison qu'il est (souvent)
possible de récupérer un fichier effacé par mégarde à l'aide d'un logiciel spécialisé, du moins tant que
d'autres données n'ont pas recouverte la zone où était stocké votre fichier. Il faut donc agir vite !
2.7. Clé USB
L'introduction de
l'USB 3 dans des
produits grand
public a commencé
début 2010.
Didier Müller
Une clé USB est un petit média amovible qui se branche sur le port USB d'un ordinateur, ou, plus
récemment, de certaines chaînes Hi-Fi, platines DVD de salon, autoradios, radiocassettes, etc. Une
clé USB contient une mémoire flash ou un mini disque dur. Les clés USB sont alimentées par le port
USB de l'ordinateur sur lequel elles sont branchées. Elles sont insensibles à la poussière et aux
rayures, contrairement aux disquettes, aux CD ou aux DVD, ce qui est un avantage au niveau de la
fiabilité. En 2008, les clés commercialisées sont en format USB 2.0. Les clés USB sont relativement
standardisées, cependant certaines ne sont pas compatibles avec certains systèmes d'exploitation,
nécessitant l'installation d'un pilote.
2-12
juillet 2013
L'informatique au lycée
Chapitre 2
La capacité d'une clé USB est actuellement de quelques gigaoctets.
Durée de vie
La durée de vie de la clef elle-même n'est pas spécifiée et peut tomber en panne au bout de
quelques mois comme de quelques années, menant à une perte partielle ou totale des données.
Les constructeurs annoncent une conservation des données pendant au moins dix ans, voire
beaucoup plus. Computerworld se montre plus réservé et attire l'attention sur les différences
importantes existant entre différents modèles dans son article Not all USB drives are created equal.
Cette durée vient du fait que la charge électrique stockée qui représente l'information n'est pas
parfaitement isolée et peut donc disparaître au bout d'un certain temps... Ce n'est donc pas un support
fiable.
Performances
Pour archiver vos
données, utilisez
plutôt un disque dur
externe ou un CDROM !
Les performances dépendent beaucoup de la conception du modèle, incluant le choix des
composants, de l'architecture et du contrôleur mémoire. Des techniques telles que l'amplification
d'écriture influent sur les performances. Elles peuvent aussi varier en fonction du système
d'exploitation ou du matériel sur lequel elle est utilisée.
Le débit de données varie donc en lecture, en écriture et dépend également du nombre de fichiers
copiés et de l'organisation du contenu de la clé. On peut donc avoir des débits de quelques Mo/s à
plusieurs dizaines de Mo/s, qui peuvent chuter dans le cas de transfert d'un grand nombre de petits
fichiers.
À l'intérieur (64 Mo)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Didier Müller
Un connecteur USB mâle (type A).
Un contrôleur USB 2.0. Ce circuit implémente le contrôleur pour l'USB 2.0 et assure une
interface entre des données transmises linéairement et la structure en blocs de la mémoire
flash. Il permet d'éviter la gestion bas-niveau de la mémoire et contient un petit
microcontrôleur RISC ainsi qu'un peu de RAM et de ROM.
JP1 et JP2 : deux connecteurs avec 10 pins, principalement pour les tests et le débogage.
Mémoire flash qui contient 4 096 blocs indépendants (chacun avec 16 kilooctets), soit 64
mégaoctets au total.
Un oscillateur à quartz cadencé à 12 MHz.
Une LED pour indiquer l'activité de la clé.
Un interrupteur à deux positions pour protéger la clé en écriture.
Une zone vierge prête à recevoir une autre mémoire flash pour offrir un modèle de 128
mégaoctets sans avoir à créer un autre schéma.
2-13
juillet 2013
Comment ça marche ?
Sources
[1] Wikipédia, « Ordinateur », <http://fr.wikipedia.org/wiki/Ordinateur>
[2] Comment ça marche, « Introduction à la notion de mémoire »,
<http://www.commentcamarche.net/contents/pc/memoire.php3>
[3] Comment ça marche, « BIOS », <http://www.commentcamarche.net/contents/pc/bios.php3>
[4] Comment ça marche, « Système d'exploitation »,
<http://www.commentcamarche.net/contents/systemes/sysintro.php3>
[5] Comment ça marche, « Disque dur »,
<http://www.commentcamarche.net/contents/pc/disque.php3>
Didier Müller
2-14
juillet 2013